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/Centro de Investigacion Cientifica y de
Educación Superioráde Ensenada
Aiiåiisis' de variantes ue rc? en servicios ii›
Sobre Redes Sainlìfzlas
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TESIS
MAESTRIA EN CIENCIAS A
Issa imiiiiiin ciiimì DAVILA
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cicese;
PROGRAMA DE POSGRADO EN CIENCIAS EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES CON ORIENTACIÓN EN TELECOMUNICACIONES
ANÁLISIS DE VARIANTES DE TCP EN SERVICIOS IP
SOBRE REDES SATELITALES.
TESIS
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS
Presenta:
José DAMIAN cAN†ú oÁv1ui
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gkáál
Dr. oberto Conte Galvan.
Director del Comité.
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Dr. Davidåiiario Covarrubias osaies.
Miembro de/
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Dr. nio García Macías.
Miembro del Comité.
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M.C. Jorge Ei-iri reciacio
V .df Miembro de Comité.
I .
M.C. Raúl amayo Fernández.
Miembro del Comité.
QMICOJT
Dr. Arturo Iázquez Ventura.
Coordinador del programa de posgrado en Electrónica y
Telecomunicaciones.
Dr. Raúl Ramón Castro Escamilla.
Director de Estudios de Posgrado.
Ensenada, Baja California, México. Diciembre de 2005.
ANÁLISIS DE VARIANTES DE TCP EN SERVICIOS IP SOBRE REDES SATELITALES
Dr. Roberto Conte Calván Director del Comité Resumen aprobado por:
El reciente crecimiento en uso y tamaño de las redes de comunicaciones basadas en el Protocolo de Internet (IP) se ha dado en gran medida al éxito que lia experimentado la Internet. El protocolo de transporte dominante para este tipo de redes es el Protocolo de Control de Transmisión (TCP), y a pesar de que fue un protocolo creado inicialmente para redes cableadas terrestres, su uso se ha extendido actualmente hacia ambientes inalámbricos, celulares y satelitales. El ambiente satelital impone una serie de retos al desempeño de TCP, entre los que se destacan el gran retardo de propagación y el deterioro del canal. TCP fue diseñado para redes cablcadas, donde las pérdidas de paquetes son debidas a la congestión en la red inisma. En el ambiente satelital las pérdidas se presentan a veces por congestión, en otras debido al gran retardo extremo a extremo (latencia) del enlace satelital, y la alta tasa de error de bit (BER) del canal puede también afectar la información. Algunas opciones propuestas para el uso de TCP en el espacio incluyen utilizar satélites de órbita baja, ya que ofrecen menores perdidas y retardos de propagación, y se han propuesto variantes de TCP que mejoran su desempeño ante situaciones de congestión. De ahí surge la inquietud de este trabajo de tesis de evaluar el desempeño de algunas variantes del protocolo TCP considerando el efecto de sus algoritmos de control de congestión en escenarios satelitales simulados de órbita baja. El objetivo es establecer un marco de referencia que permita determinar si es posible ofrecer Calidad de Servicio similar a la de VoIP utilizando variantes de TCP en un ambiente satelital de órbita baja. En este trabajo se realiza el análisis y modelado de variantes de TCP tales como Tahoe, Reno, NewReno, SACK y Westwood, evaluando particularmente parámetros de QoS tales como latencia, jitter, BER, PLR y Caudal Eficaz. En base al análisis y modelos planteados en esta tesis, se realizaron simulaciones de transferencia de información con el simulador de red ns2 (network simulator 2) a través de un satélite de órbita baja utilizando variantes de TCP. A partir de los resultados obtenidos en este trabajo se establece la posibilidad de ofrecer QoS a un nivel similar al de VoIP, con algunas limitaciones, cuando se utilizan ciertas variantes de TCP sobre redes de información IP usando satélites de órbita baja.
Ensenada, Baja California, Mexico. December 2005.
ANALYSIS OF TCP VARIANTS IN IP SERVICES OVER SATELLITE NETWORKS
/¿J É /øv//
1 .Dr. Roberto Conte Galván Thesis Adviser Abstract approved by:
Recent growth in the use and size of communications networks based in the Internet Protocol (IP) has happened mainly due to the success experimented by the Internet. The dominant transport protocol for this type of networks is the Transmission Control Protocol (TCP), and although it was initially created for terrestrial cabled networks, its use has presently extended towards wireless, cellular and satellite enviromnents. The satellite enviromnent presents a series of challenges to TCP performance, undcrlining the large propagation delay and channel impairments. TCP was designed for cabled networks, where the loss of packets is due to congestion inside the network itself. In a satellite environment information losses sometimes happen due to congestion, but also due to the long end-to-end delay (latency) of the satellite link, and the high channel Bit Error Rate (BER) may also affect the data. Some proposals for the use of TCP in space include the use of low earth orbit (LEO) satellítes, since they generate less losses and propagation delays, and variations of TCP have been proposed in order to improve its congestion performance. Consequently, there is interest to evaluate the performance of some TCP variants considering the effect of their congestion control algorithms in simulated LEO satellite scenarios. The objective is to establish a frame of reference for determining if it is possible to offer a Quality of Service (QoS) similar to that required for Voice over IP (VoIP) applications using TCP variants in a LEO satellite environment. In this work an analysis and modeling of TCP variants such as Tahoe, Reno, NewReno, SACK and Westwood is performed, evaluating particular QoS parameters such as latency, jitter, Bit Error Rate (BER), Packet Loss Rate (PLR) and Throughput. Based on the analysis and modeling presented on this work, information transfer simulations were performed through a LEO satellite using TCP variants with the ns2 (Network Simulator 2) network simulator. Front the results obtained in this work, the possibility to offer a QoS similar to VoIP level can be established, with some limitations, when certain TCP variants are used over IP information networks using LEO satellites.
A mi Madre
María del Socorro
Y a mis Abuelos
Jose'(†) y Socorro
Por su Fe en mi. Por sus ensenanzas. Por su Apoyo. Por su Amor. GRACIAS.
A mis Tías
Isabel yAna Laura
Por su apoyo diario y por hacerme sentir cerca de Tampico y de la Familia a pesar de la distancia.
Al resto de mi Familia
Familia Palomo Cantú (Rusa María, Víctor, Luisa yAna) Familia Dávila Cantú (Jorge y Cecilia)
De manera especial
lt mi Tía Luz María y mis primos Alexandra y Davirl
Le doy Gracias a Dios por estar siempre conmigo y por ayudarme a lograr este objetivo que me propuse. El Señor es mi pastor nada me falta (Salmo 23).
Le agradezco a mi director de tesis y amigo Dr. Roberto Conte Galván quien no permitió que me dejara vencer por los obstáculos diarios y llevó a buen término este proyecto y también por las largas pláticas de música, politica, religión, etc.
Al Dr. David Hilario Covarrubias Rosales por sus valiosas contribuciones a este trabajo de investigación,
A los miembros del comité de tesis: Dr, Jose' Antonio Garcia Macías', MC. Jorge Enrique Preciado Velasco, Dr. David Hilario Covarrubias Rosales y MC. Raúl Tamayo Fernández, por sus comentarios y observaciones realizados durante el desarrollo de este proyecto.
Al M C. Raúl Rivera Rodríguez por el apoyo y amistad brindada.
A mis compañeros y amigos de generación 2003-2005.' Ruth, Ely, Aby, Karen, Ararón, Ana, Dario, Ulises, Daniel, Néstor, Caro y Rocio. A mis amigos los GUAMARAS (Aziris, Gabis, Ivis, Rafìs y Rogis), por el apoyo total, la amistad brindada, las carnes asadas y por no dejarnos vencer por los retos diarios. A todos un Abrazo y un Hasta Pronto.
A mis compañeros de casa Adán, Hugo y Arturo un reconocimiento sincero por la amistad y el apoyo brindado. Se volvieron mi Familia en Ensenada.
A mis amigos: Paúl, Luis, Cabanillas, Canek, Julio, César, Carlos, Marcial, Muraoka, Zeus, Juan Pedro, Don Victor de la Cocina de la Abuela y Lupita por sus ricas comidas. Ah y al Bitoki: si homeeecee.
A las secretarias de Electrónica Aurora, Rossy y Laura y a Lupita y Ceci de Biblioteca. Gracias por el apoyo y la sonrisa con la que siempre me recibieron.
Al CICESE por darme la oportunidad de estudiar esta maestría en particular al Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones..
CONTENIDO
Página
I. INTRODUCCION... 1
I.l Antecedentes... 1.2 Planteamiento del problema...,... I.3 Objetivos de la
I.4 Infraestructura
I.5 Organización del documento de tesis
II. INTRODUCCION A TRANSMISION DE TCP POR SATELITE... 6
II.1
II.2 Internet por satélite (acceso remoto a Internet) II.2.1 Descripción de TCP original (RFC
II.2.2 Mejoras a TCP sobre enlaces de gran retardo (RFC 2488)...,,... ...l0 II.2.2.l Control de congestión...,...,... 10 II.2.2.l.1 Inicio Lento y Evasión dc Congestión...,.., 10
II.2.2.1.2 Retransmisión Rápida y Recuperación Rápida 11
II.2.2.l,3 Ventanas grandes de 13
II.2.2,l.4 Estrategias de recouocimiento... 14
II.2.2.l.5 Reconocimientos selectivos...,... 14
Il.3 Consideraciones de TCP por satélite..,...,...,... 14
II.3.1 Consideraciones de órbitas satelitales ...l5
II.3,2 TCP sobre satélites ...i.l8
II.3,3 TCP sobre satélites LEO ...i.l9
II.3.4 Introducción a enrutamiento de TCP a bordo II,3.5 Diseño de constelaciones satelitales....,....,...,....
II.4 Parámetros de QoS para TCP por satélite 25
II.4.l
II.4.2 Variación en el retardo (Jitter)...,... II.4.3 Tasa de Error de Bit (BER)
II.4,4 Tasa de Pérdida de Paquetes (PLR) II.4,5 CaudalEf1caz
ll.5 Conclusiones...,..._...,...,....,...,.... 27
III. ANALISIS DEL PROTOCOLO TCP... 29
III.l TCP puro (original)..,...__....,...,,...,...,. 29
IlI.2 Congestión en la transmisión de TCP 32
III.3 Mecanismo de Control de Flujo en TCP...,., 36
III.3,l Mecanismo de reconocimiento III.3.2 Mecanismo de retransmisión
Ill,4 Soluciones propuestas para TCP por satélite 42
III,4,1 Soluciones de capas inferiores III.4.2 Modificaciones de la IETF a
III.4.3 Modificaciones a TCP no estandarizadas
lll/1.3.1 Enfoque de conexión dividida.,... 45
IlI.4.3.1.l Soluciones de último salto 46
CONTENIDO (Continuación).
III.4.4 Protocolos de transporte alternativos....,,...,...,....,.. ,. III.4.4.l Protocolo de Transporte - Especificaciones de Protocolo de
Comunicaciones Espaciales .,
IIl.4.4.2 Protocolo de Transporte Satelital ..
III.4.4,3 TCP inalámbrico...,...,,,... ..
III.4.4.4 Protocolo de Inspección y Espera ..
III.5 Variantes de TCP ..
IlI.5.l TCP Tahoe ..
IlI.5.2 TCP Reno... .
IIl.5.3 TCP NewReno .
III.5.4 TCP SACK..,....,. ._
Ill.5.5 TCP Vegas... ..
IlI.5.6 TCP III,6 Conclusiones ....
IV. MODELADO DE VARIANTES DE TCP Y DE PARAMETROS DE QoS...
lV.1 Modelado de TCP lV.1.1 Modelo
IV.1.2 Modelo detallado de Pérdida de Paquete...,... _.
IV,l.2.l Expiraciones...,,...,,...,...,... _.
IV.2 Modelos gráficos de variantes de TCP ._
IV.2.l Variante TCP Tahoe ..
IV.2.2 Variante TCP Reno...,... _.
IV.2.3 Variante TCP NewReno ,.
IV.2.4 Variante TCP SACK... ..
IV.2.5 Variante TCP Vegas IV.2.6 Variante TCP Westwood
Página ...46 47 48 48 49 50 ...50 ...,....53 ...,....54 ...55 56 S7 57 ,,...,..S9 ,....,,.62 66 69 ,...69 ...,....70 ...7l ...72 ....,,..73 ,....,,.74 IV.3 Modelado de parámetros de Calidad de Servicio en Redes Satelitales de Órbita Baja
IV.3.l Modelado de la latencia en constelaciones satelitales _.
IV.3.l.l Retardo de IV.3.1.2 Retardo de propagación
IV.3. l .2.l Retardo de propagación para enlace ascendente y descendente. IV.3.1.2.2 Retardo de propagación de enlaces intersatelitales..,..,,....,... lV.3.l.3 Retardo por procesamiento y comnutación...,...,..,....,... IV.3.l.4 Retardo del Protocolo de Control de Acceso al Medio...,..,...,.., IV.3.2 Modelado de la variación en el retardo en constelaciones satelitales...,... IV.3,3 Modelado de la tasa de error de bit (BER) en constelaciones satelitales.. IV.3,4 Modelado de la Tasa de Pérdida de Paquetes (PLR)
IV.3.5 Modelado delCaudal ._
lV.4 Conclusiones ... ..
v. RESULTADOS DE s1MuLAc1óN Y ANÁLISIS NUMERICO
..
V.l Consideraciones de ._
CONTENIDO (Continuación).
V,2 Introducción al simulador de red Network Simulator 2
V.2,1 Parámetros de entrada en el simulador de red Network Simulator 2 (ns2) V.3 Resultados de Simulación
V.3.1 Evolución de ventana de congestión y Producto Retardo-Ancho de Banda V.3. 1.1 Evaluación del desempeño de TCP mediante parámetros de Calidad Servicio
V.3.1,l,l ._
V.3.l.1.2 Variación en el retardo (Jitter) ..
V.3.l.l.3 Tasa de error de bit (BER) ..
V.3.1.1.4 Tasa de paquetes perdidos (PLR) y Caudal Eficaz ..
V.4 ... ..
VI. CONCLUSIONES .
REFERENCIAS
Página
85 86 88 88 de
98 99 103
107
109 112
Lista de Figuras
Página
Figura 1 Modelo conceptual de 8
Figura 2, Internet basado en satélite con la arquitectura de repetidor,..,... Figura 3. Internet basado en satélite con arquitectura de OBP e ISL
Figura 4. Relación geométrica entre satélite y usuario Figura 5. Consideraciones geométricas en un sistema satelital Figura 6. Relaciones geométricas de los hexágonos inscritos en las huellas de cobertu1'a,. Figura 7, Formato del segmento TCP ....
Figura S, Encapsulación de segmento TCP.,... Figura 9, Inicio Lento en
.Evasión de congestión , Ventana deslizante de
Figura 10 Figura 11 Figura 12, Figura 13 Figura 14. Figura 15 Figura 16 Figura 17.
.Modelo gráfico del funcionamiento de TCP Tahoe . Modelo gráfico del funcionamiento de TCP Reno...
_ Modelo gráfico del funcionamiento de TCP NewReno , Modelo gráfico del funcionamiento de TCP SACK...,,. Figura 18 Figura 19 Figura 20 Figura 21 Figura 22 Figura 23 Figura 24. Figura 25 Figura 26. Figura 27 Figura 28 Figura 29 Figura 30 Figura 31 Figura 32 Figura 33 Figura 34. Figura 35 Figura 36. Figura 37 Figura 38 Figura 39
. Análisis detallado de los paquetes enviados durante...,..
. Evolución de ventana de congestión de TCP Reno con buffer de 40 paquetes.,
. Evolución de ventana de congestión de TCP Tahoe con buffer de 40 paquetes . Evolución de ventana de congestión de TCP Tahoe [Lang,
17 17 21 21 24 30 33 34 35 37 40 41 60 60 63 67 70 71 72 73 74 75 89 90 91 91 92 93 94 95 Establecimiento de conexión usando saludo de tres vias
Terminación de una conexión TCP usando saludo de cuatro vías Modelo periódico de las dinámicas de la ventana de TCP ...
Dinámica de la tasa de transmisión de TCP [Hassan y Jain, 2004],...
Intervalos que constituyen la dinámica de la ventana en un ciclo...,
Modelo gráfico del funcionamiento de TCP Vegas Modelo gráfico del funcionamiento de TCP Westwood Evolución de ventana de congestión de TCP Reno con buffer de 20 paquetes.. Evolucion de ventana de congestión de TCP Reno [Lang, 2002] ....
Evolución de ventana de congestión de TCP Reno con buffer de 60 paquetes. Evolución de ventana de congestión de TCP Reno [Lang, 2002] ....
Evolución de ventana de congestión de TCP Reno [Lang, 2002] ....
Evolución de ventana de congestión de TCP NewReno con buffer de 40
95 Evolución de ventana de congestión de TCP NewReno [Lang, 2002]... 96 Evolución de ventana de congestión de TCP SACK con buffer de 40 paquetes 97 Evolución de ventana de congestión de TCP SACK [Lang, 2002] ... .. 97 Evolución de ventana de congestión de TCP Westwood con buffer de 40
Lista dc Figuras (Continuación).
Figura 40. Retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP SACK Figura 41. Retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP Westwood.
Pá
Figura 42. Variación en el retardo del paquete entre estaciones teirenas utilizando TCP
Figura 43. Variación en el retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP Reno Figura 44. Variación en el retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP
Figura 45. Variación en el retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP
Figura 46. Variación en el retardo del paquete entre estaciones terrenas utilizando TCP
Figura 47. Variación de la Tasa de Error de Bit (BER) en el enlace entre Ensenada y México, D. F. con respecto a distintos ángulos de elevación
gina
l0l 102
104
105
105
106
107
Lista de Tablas
Página
Tabla I. Banderas de TCP 31
Tabla II. Parámetros de entrada al 88
Tabla III. Estadísticas obtenidas del retardo 103
Tabla IV. Estadísticas obtenidas dela variación en el retardo 108
Tabla V. Estadísticas de la Relación Señal Portadora a Ruido (C/N) 110
I.1 Antecedentes
El gran éxito que ha tenido la Internet en los últimos años, ha llevado ala adopción
del Protocolo de Internet (IP) para construir distintos tipos de redes de comunicación, entre
las que se puede mencionar las redes privadas de grandes corporaciones de negocios, redes
militares, caseras e inclusive celulares. El protocolo de transporte predominante para las
redes de tipo IP es el protocolo TCP (Protocolo de Control de Transmisión), El protocolo
TCP es un protocolo de transporte confiable que fue diseñado para redes cableadas, sin
embargo su uso se ha ido extendiendo hacia enlaces inalámbricos, incluyendo redes
celulares y satelitales.
i El crecimiento de las redes IP ha sido tan grande en tamaño y uso que uno de los
problemas que más se presenta es la congestión de información debido a las variaciones
aleatorias de tráfico en segmentos de la Internet. Los efectos negativos que esto produce
deben ser controlados para mantener niveles de Calidad de Servicio (QoS) adecuados de
acuerdo a las aplicaciones de los usuarios que asi lo demanden, como puede ser la
transmisión de voz o video por Internet.
Las redes terrestres cableadas no han sido las únicas que han ayudado al crecimiento
de Internet, ya que junto a ellas también han participado los enlaces inalámbricos, en
particular los satelitales. En un principio los enlaces satelitales eran utilizados solo para
comunicaciones militares, telefonia internacional y difusión de televisión, pero hoy en día
también son utilizados para transportar tráfico TCP/IP y para ofrecer acceso a Internet.
Algunas de las razones por las cuales se destacan los sistemas satelitales son por su
capacidad de cobertura global, su capacidad de difusión, su flexibilidad de ancho de banda
en demanda y su habilidad para soportar movilidad de sus usuarios. Esto lo vuelve un
candidato inmejorable para proveer servicios integrados de banda ancha a usuarios
globalmente dispersos o a usuarios que cuentan con una infraestructura terrestre de
infraestructura de red liíbridas (red satelital/red terrestre), sin embargo el protocolo TCP al
haber sido diseñado para redes terrestres cableadas ve impactado fuertemente su
desempeño cuando es utilizado en ambientes inalambricos, sobre todo del tipo satelital.
Algunas de las características que lo afectan es el gran retardo de propagación, deterioro del
canal y la asiinetria del ancho de banda. Para tratar de resolver estos problemas se ha
propuesto un gran número de mejoras, las cuales se pueden dividir en tres conjuntos:
a) Solucioiies de capas inferiores del modelo OSII para tratar de resolver los problemas de
congestión pero sin alterar el TCP [Chaskar er al, 1999].
b) Modificaciones a TCP aceptadas y estandarizadas por la IETF (Internet Engineering
Task Force, Fuerza de Trabajo de Ingenieria de Internet) [Jacobson el nl, 1992] y
[Mathis el al, 1996].
c) Soluciones experimentales propuestas que incluyen desde modificar TCP, hasta
inclusive reemplazarlo con protocolos alternativos de transporte [Ghani y Dixit, 1999] y
[Barakat et al, 2000].
De lo anteriormente expuesto se establece coino interés de éste trabajo de tesis el
evaluar el desempeño del protocolo TCP y sus variantes en redes satelitales de órbita baja
contra los parámetros de Calidad de Servicicz (Quality of Service, QoS) usados como
referencia para ofrecer servicio de VoIP (Voz sobre Protocolo de Internet) los cuales son
retardo, variación en el retardo (jitter), tasa de error de bit (BET), tasa de paquetes perdidos
(PLR) y caudal eficaz. El razonamiento detrás de comparar el desempeño de TCP con los
parámetros de QoS en VoIP es el que éstos son los más estrictos en lo que a comunicación
en Internet se refiere, dando una referencia para establecer qué tan factible sea el ofrecer
QoS al utilizar alguna de las variantes del protocolo TCP en un ambiente satelital,
' El modelo OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) fue propuesto por la ISO (Organización Internacional de Nornias) y es un estandar para comiuiicacióu de datos que permite que sistemas computacionales de
diferentes fabricantes se comuniquen,
I.2 Planteamiento del problema
TCP provee un servicio de flujo de datos confiable (con una entrega en orden
garantizada extremo a extremo) a las aplicaciones. Un transmisor de TCP acepta datos de
una aplicación en tamaños variados y los empaqueta en segmentos de longitud variable
para transinitirlos dentro de los datagrainas IP, donde cada uno se identifica coii un número
de secuencia. El receptor de TCP responde a la recepción exitosa de datos regresando un
reconocimiento al transmisor y entregando los datos a la aplicación receptora; el transmisor
TCP puede utilizar estos reconocimientos para determinar si algún dato requiere
retransmisión.
Las redes redes satelitales se han vuelto una alternativa para aquellos lugares con
una infraestructura de comunicaciones pobre o nula, con capacidad para cubrir áreas
geográficas amplias y una conectividad inmediata. Muclio del tráfico que fluye por sus
canales tiene a TCP como protocolo de transporte, imponiendo una serie de retos a
enfrentar para sti biien desempeño, ya qiie TCP fue diseñado para redes terrestres cableadas
donde las pérdidas de paquetes son consecuencia de la congestión en la red misma. Aunque
algunas veces las pérdidas en el ambiente satelital son debidas a congestión, muchas otras
son debidas a que la información ha sido afectada por la alta tasa de error de bits del canal o
a la alta latencia extremo a extremo, Como TCP no distingue fácilmente la causa de pérdida
de paquetes asume que son debidas a congestión y reacciona activando sus algoritmos de
control de congestión (inicio lento, evasión de congestión).
Recientemente los sistemas satelitales de órbita baja (LEO, Low Eartli Orbit) se han
propuesto coino una opción para los servicios o aplicaciones que requieran una alta Calidad
de Servicio, debido a los tiempos cortos de respuesta y retardo que ofrece [Hassan y Jain,
2004]. De aqui surgen los objetivos de ésta tesis que son evaluar el desempeño del
protocolo TCP y sus variantes en satélites de órbita baja y coinparar los resultados con los
parámetros de QoS de VoIP que son retardo, variación en el retardo, BER, PLR y caudal
1.3 Objetivos de la Tesis
>
>
>
>
>
>
>
>
El objetivo general de este trabajo es el análisis de mecanismos de control de
congestión en redes IP mediante distintas variantes de TCP para transmisión de
información en redes de satélites de órbita baja y evaluar su desempeño comparando
con los parámetros de QoS.
El objetivo purlici/lar de éste trabajo de tesis es el modelado, diseño y simulación
de enlaces satelitales TCP/IP para comparar su nivel de desempeño e impacto en
parámetros de QoS tales como retardo, variación en el retardo, tasa de errores de bit,
tasa de paquetes perdidos y caudal eficaz de la red. Se modelarán los algoritmos de
distintos mecanismos de control de congestión en TCP tal como Tahoe, Reno,
NewReno, SACK y Westwood.
El objetivo espec:/ìco de éste trabajo de tesis es el desarrollo de programas de
computadora para simular la transmisión de aplicaciones TCP/IP sobre enlaces de
satélites de órbita baja comparando su nivel de desempeño e impacto en parámetros
de QoS,
I.4 Infraestructura utilizada
Computadora personal portátil AMD Athlon XP2000+ 1.66 GHZ con 704 MB de
RAM.
Aplicaciones de computadora como: Microsoft Word, Microsoft PowerPoint,
Microsoñ Visio Professional, Mathworks Matlab, SAVI y Network Simulator 2
(ns2).
Material de biblioteca (CICESE y UCSD).
Articulos, libros y revistas del área.
Acceso a Internet.
L5 Organización del documento de tesis
El capitulo II presenta un breve análisis acerca del acceso a Internet mediante redes
satelitales asi como tainbién del protocolo de transporte TCP y las inodificacioiies
propuestas para su uso en un ambiente satelital. También se ofrece una descripción de los
parámetros de Calidad de Servicio con los que se va a inedir el desempeño de TCP.
En el capitulo III se analiza la operación del protocolo TCP, los mecanismos internos que lo
componen y las variantes desarrolladas de su algoritmo de control de congestión.
El capítulo IV presenta un modelo matemático de TCP, los modelos analíticos de sus
variantes inás representativas y también se desarrollan modelos matemáticos de parámetros
de Calidad de Servicio para evaluar el desempeño de TCP en un ambiente satelital.
El capitulo V presenta el escenario de simulación, consideraciones, presentación de
resultados y análisis numérico propuestos para validar este trabajo de tesis.
Por último el capitulo VI presenta las conclusiones y aportaciones de este trabajo, asi coino
II. INTRODUCCION A TRANSMISION DE TCP POR
SATELITE
Se presenta un breve análisis acerca del acceso a Internet mediante redes satelitales
así como del protocolo de transporte más utilizado por este tipo de tráfico, que es el TCP.
Se tratan las caracteristicas de éste protocolo en su diseño original y las modificaciones que
se han propuesto para su mejor desempeño en un ambiente satelital, finalizando con la
descripción de los parámetros de Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) con los
cuales se comparará el desempeño de TCP,
II.1 Antecedentes
Debido a la inherente capacidad de difusión de los satélites, los cuales pueden
conectar sitios remotos cuando no existe infraestructura terrestre ofreciendo al mismo
tiempo canales de relativa alta velocidad, existe un interés creciente en proveer
interconexión y servicios multimedia utilizando enlaces satelitales [Marcl1ese, 2001]. El uso
de la pila TCP/IP en ambientes satelitales es realmente importante ya que muchas
aplicaciones están basadas en ésta familia de protocolos y cualquier conexión con la
Internet del futuro implicará el uso de TCP/IP.
La red utilizada afecta fuertemente el comportamiento del protocolo de transporte,
Aún en un ambiente satelital, los problemas son distintos si se usa un sistema satelital LEO,
MEO o GEO. Aunque muchos factores especificos a las comunicaciones satelitales afectan
a TCP produciendo un desempeño bajo, el tráfico de tipo TCP/IP cada vez se incrementa
más en enlaces satelitales. En éste capitulo se abordará al protocolo TCP desde su nivel de
diseño original, para luego pasar a las modificaciones que se han ido proponiendo para
mejorar su desempeño en redes satelitales GEO y LEO, introduciendo los parámetros de
II.2 Internet por satélite (acceso remoto a Internet)
En un sistema de Internet basado en satélite, los satélites interconectan segmentos
de red lieterogéneos, proporcionando acceso directo a Internet desde hogares y negocios. La
Internet ha gozado de un explosivo crecimiento en los pasados años. Al mismo tiempo, la
proliferación de nuevas aplicaciones y la expansión en el número de computadoras y
usuarios conectados ha impuesto nue-vos retos técnicos a su desarrollo. Se requieren nuevas
tecnologias e infraestructura capaces de proveer servicios de alta velocidad y calidad para
acomodar aplicaciones multimedia con diversos requerimientos de QoS. Más aún, para
poder proveer acceso a Internet desde cualquier lugar, se requiere un soporte de movilidad
apropiado. Un sistema de comunicación satelital se distingue por su cobertura global,
capacidad de difusión inherente, flexibilidad de ancho de banda en demanda y la habilidad
de soportar movilidad, por lo que se vuelve un candidato excelente para proveer servicios
integrados de banda. ancha de Internet a usuarios globalmente dispersos [Hu y Li, 2001].
II.2.1 Descripción de TCP original (RFC 793)
El estándar del Protocolo de Control de T1'ansmisión (TCP, Transmission Control
Protocol) está definido por el RFC (Request for Comments, Petición de Comentarios) 793
de la IETF (Internet Enginnering Task Force, Fuerza de Trabajo de Internet). La
especificación original escrita en l98l se basó en investigaciones y experimentaciones en la
ARPANET [Postel, 1981]. TCP basa su diseño y funcionamiento en conceptos descritos en
el trabajo de Cerf y Kahn publicado en 1974. El TCP se ubica dentro de una arquitectura de
protocolo de capas, justo encima del Protocolo de Internet el cual provee la manera para
que TCP envie y reciba segmentos de longitud variable de información adjunta en
datagramas de Internet. El datagrama de Internet provee los medios para el
direccionamiento desde y hacia la fuente y destino de los TCPS en diferentes redes.
El protocolo de Internet también se ocupa de cualquier fragmentación y reensamble
de segmentos TCP requerida para lograr transporte y entrega a traves de múltiples redes. El
protocolo de Internet también lleva información de la prioridad, clasificación de seguridad
extremo a extremo a través de múltiples redes. A continuación se presenta en la Figura l el
modelo conceptual de capas de TCP/IP.
Aplicacion
TCP
Protocolo de Internet
Interfaz de Red
Figura 1. Modelo conceptual de capas
El propósito primario de TCP es el proveer sen/icio de conexión o circuito lógico
confiable entre procesos pares. Para poder hacer esto encima de un sistema de
comunicación de Internet menos confiable se requiere de ciertos mecanismos en las
siguientes áreas: Transferencia de datos básica, Confiabilidad, Control de flujo,
Multiplexaje, Conexiones y Prioridad y Seguridad [Postel, 1981].
Transferencia de duras básica. Se refiere a la capacidad de TCP de transferir un
flujo continuo de octetos en cada dirección entre sus usuarios, al empaquetar un número de
octetos en segmentos para su transmisión através de Internet.
Car/ìabilidud. El TCP debe recuperar datos que puedan haberse dañado, perdido,
duplicado o entregado fuera de orden por el sistema de comunicación de Internet. Esto se
logra asignando un número de secuencia a cada octeto transmitido, y requiriendo un
reconocimiento positivo (ACK) del receptor de TCP. Si el ACK no es recibido dentro de un
intervalo de expiración, los datos se retransmiten. En el receptor, los números de secuencia
se usan para ordenar correctamente segmentos que pudiesen haber sido recibidos fuera de
orden y para eliminar duplicados. El daño es manejado agregando un bit de paridad a cada
segmento transmitido, checando en el receptor, y descartando segmentos dañados.
Con/rol de flujo. TCP provee medios al receptor para regular la cantidad de datos
enviados por el transmisor, Esto se logra regresan-do una “ventana” con cada ACK
recibido exitosamente, La ventana indica un número permitido de octetos que cl transmisor
puede enviar antes de obtener permiso adicional de poder enviar más,
Mzrltiplexuje. Para permitir que muchos procesos dentro de una computadora
utilicen simultáneamente los mecanismos de comunicación de TCP, éste provee un
conjunto de direcciones o puertos dentro de cada hostz. Las direcciones de red y
computadora de la capa de comunicación de Internet forman un socket4, Un par de sockets
únicamente identifica cada conexión, con lo cual un socket puede ser utilizado
simultáneamente en múltiples conexiones. La vinculación de puertos con procesos es
manejada de manera independiente por cada computadora. Sin embargo, es útil unir
procesos usados frecuentemente a sockets fijos, los cuales se dan a conocer al público.
Estos servicios pueden entonces ser accesados a través de las direcciones conocidas.
Conexiones. Los mecanismos de confiablidad y control de flujo descritos
anteriormente requieren que TCP inicie y mantenga cierta inf`ormación de estado para cada
flujo de datos. La combinación de ésta irtformación, incluyendo sockets, números de
secuencia y tamaños de ventana, es llamada conexión. Cada conexión es especificada
únicamente por un par de sockets identificando sus dos lados. Cuando dos procesos desean
comunicarse, sus TCPs deben primero establecer una conexión. Criando se ha completado
la comunicación, la conexión es terminada o cerrada para liberar los recursos y que otros
los puedan usar, Ya que las conexiones deben ser establecidas entre computadoras poco
fiables y sobre un sistema de comunicación de poca confianza como es Internet, se usa un
mecanismo de saludo o “handshake” con números de secuencia basados en tiempo para
evitar inicializaciones erróneas de comunicación.
Priaridaøl y Seguridad. Los usuarios de TCP pueden indicar la seguridad y prioridad
de su comunicación dentro de su encabezado. Existen valores por omisión cuando éstas
caracteristicas no son necesarias.
1 Una computadora. De manera particular una fuente o destino de mensajes desde cl punto de vista de la red
de comunicación.
i Una dirección que de manera especifica incluye un identificador de puerto que es la unión de la Dirección de
II.2.2 Mejoras a TCP sobre enlaces de gran retardo (RFC 2488)
Esta sección puntualiza los mecanismos de TCP que pueden ser necesarios en redes
satelitales o redes hibrìdas satelitales/terrestres para utilizar de mejor manera la capacidad
disponible del enlace de datos.
II.2.2.1 Control de congestión
Para evitar generar una cantidad inapropiada de tráfico, durante una conexión TCP
emplea cuatro mecanismos de control de congestión. Estos algoritmos son inicia lenta,
evasión de congestión, re/mnsmisr`ón rápida y recuperación rápida, y se utilizan para
ajustar la cantidad de datos sin reconocer que pueden ser inyectados en la red y para
retransmitir segmentos descartados por la red.
El transmisor de TCP usa dos variables para realizar éste control de congestión, La
primera es la ventana de congestión (cwnd), y representa un limite superior en la cantidad
de datos que el transmisor puede inyectar en la red antes de recibir un reconocimiento
(ACK). El valor de cwnd está limitado a la ventana anunciada por el receptor, y aumenta o
disminuye durante la transferencia de acuerdo a la cantidad de congestión que deduce
existe en la red.
La segunda variable es el umbral de inicio lento (ssthresh) y determina cuál
algoritmo se usará para incrementar el valor de cwnd. Si cwnd es menor que ssthresh se usa
el algoritmo de inicio lento para incrementar el valor de cwnd; si cwnd es mayor o igual a
ssthresh se usa el algoritmo de evasión de congestión. El valor inicial de ssthresh es el
tamaño de la ventana anunciada del receptor.
II.2.2.1.1 Inicio Lento y Evasión de Congestión
Cuando una computadora comienza a enviar datos sobre una conexión TCP, no
tiene conocimiento del estado actual de la red que está entre ella y el receptor, y para evitar
transmitir una ráfaga inapropiadamente grande de datos, el transmisor usa el algoritmo de
inicio lento al comienzo de la transferencia. El inicio lento comienza inicializando cwnd a
un segmento y ssthresh a la ventana anunciada del receptor. Esto forza a TCP a transmitir
inicio lento, el valor de cwnd se incrementa en un segmento, con lo que tiene un
crecimiento exponencial y continuará de esa manera hasta que cwnd llegue o exceda
ssthresh, o detecte una pérdida de información.
Cuando el valor de cwnd es igual o mayor a ssthresh se usa el algoritmo de evasión
de congestión para incrementar a cwnd. Este algoritmo incrementa el tamaño de cwnd de
manera más lenta en comparación a como lo hace inicio lento, ya que evasión de
congestión se usa para sondear la red en busca de capacidad adicional. Durante evasión de
congestión, cwnd se incrementa l/cwnd por cada ACK que llega, de ahi que si se recibe un
ACK por cada segmento de datos, cwnd se va a incrementar aproximadamente un segmento
por`Tiempo de Viaje Completo (RTT, Round Trip Time). Debido a su funcionamiento
ambos algoritmos pueden hacer que se presente una utilización pobre del ancho de banda
del canal disponible cuando se usan redes satelitales de gran retardo. Esto se puede
comprobar si se utiliza un satelite GEO, donde al transmitir un segmento se tiene que
esperar por su correspondiente ACK, y durante aproximadamente 500 ms no se realiza
transmisión de datos, de ahí que el inicio lento tome mas tiempo en un GEO que en un
canal terrestre [Allman, 1999].
lI.2.2.1.2 Retransinisión Rápida y Recuperación Rápida
El mecanismo por omisión que utiliza TCP para detectar pérdida de segmentos es la
expiración de tiempo, lo que quiere decir que si el transmisor no recibe un ACK por un
paquete dado dentro del tiempo esperado, el segmento va a ser retransinitido. La expiración
de la retransmisión (RTO, Retransmission Timeout) se basa en observaciones del RTT.
Aparte de detectar una pérdida por medio de la expiración de RTO, TCP también utiliza el
segmento perdido como un indicador de congestión en la red En respuesta a ésta
congestión, el valor de ssthresh se fija a la mitad del cwnd y el valor de cwnd es reducido a
un segmento. Esto hace que el algoritmo de inicio lento incremente cwnd hasta que el valor
de cwnd alcance la mitad de su valor (que fue cuando se detectó la congestión). Después de
la fase de inicio lento, el algoritmo de evasión de congestión es utilizado para sondcar la
TCP siempre reconoce el segmento en orden más alto que ha llegado, de ahi que un
ACK por el segmento X también reconozca todos los segmentos menores a X, Si llega un
segmento fuera de orden, el ACK que se va a enviar será por el segmento más alto en orden
en lugar del segmento que haya llegado.
El algoritmo de retransmisión rápida utiliza estos reconocimientos duplicados para
detectar segmentos perdidos. Si tres reconocimientos duplicados llegan al transinisor de
datos, TCP asume que un segmento se ha perdido y retransmite el segmento perdido sin
esperar a que expire el RTO. Después de que un segmento sea reenviado utilizando
retransmisión rápida, se usa el algoritmo de recuperación rapida para ajustar la ventana de
congestión de la siguiente manera: en primera instancia el valor de ssthresh se lija a la
mitad del valor de cwnd y en seguida el valor de cwnd se reduce a la mitad. Despues de eso
el valor de cwnd se incrementa artificialmente en un segmento por cada reconocimiento
duplicado que haya llegado. Este incremento artificial puede ser realizado debido a que
cada ACK representa un segmento que ha dejado la red. Cuando el cwnd lo permite, TCP
es capaz de transmitir nuevos datos,
El funcionamiento antes descrito pennite que TCP mantenga el flujo de los datos a
través de la red a la mitad de la tasa de cuando se detectó la pérdida. Cuando llega un ACK
por el paquete retransmitido, el valor de cwnd es reducido de regreso a ssthresh, que es la
mitad del valor de cwnd cuando la congestión fue detectada.
Generalmente la retransmisión rápida puede reenviar solo un segmento por ventana
de datos enviados, y cuando múltiples segmentos se pierden en una ventana de datos dada,
uno de los segmentos será reenviado utilizando retransmisión rápida. El resto de los
segmentos descartados usualmente esperan por el tiempo de expiración (RTO), lo que
causa que TCP regrese a inicio lento. La manera en que TCP responde ante la detección de
congestión varía dependiendo de la manera en que se haya percatado de ella. Si el
temporizador de retransmisión causa que un paquete sea reenviado, TCP reduce ssthresh a
la mitad del valor actual de cwnd y cwnd es reducido a un segmento (volviendo a inicio
lento), pero si un segmento es reenviado por medio de retransmisión rápida, ambos sstlrreslt
y cwnd son fijados a la mitad del valor actual de cwnd y se utiliza evación de congestión
La diferencia entre las dos opciones anteriores es que cuando la retransmisión es
debida a reconocimientos duplicados, TCP sabe que los paquetes aun están fluyendo a
través de la red y de esa manera puede darse una idea de que la congestión aún no es tan
grave, Con respecto al otro caso, cuando se reenvía un paquete debido a que expiró el
temporizador de retransmisión, TCP no puede inferir nada acerca del estado de la red y por
eso debe proceder de manera conservadora enviando nuevos datos por medio del algoritmo
de inicio lento.
II.2.2.1.3 Ventanas grandes de TCP
El estándar máximo de tamaño de ventana de TCP (65,535 bytes) no es adecuado
para permitir que una conexión sencilla de TCP utilize todo el ancho de banda disponible
en los canales satelitales. El caudal de TCP está limitado por la ecuación(1) [Postel, 1981]:
CE I TdV/RTT (1)
Donde CE es el Caudal Eficaz, TdV es el Tamaño de Ventana y RTT es el Tiempo
de Viaje Completo. De la ecuación (l), si se utiliza un tamaño de ventana máximo de
65,535 bytes y un canal satelital geosincrono con un RTT de 560 ms, el máximo caudal
eficaz está limitado por la ecuación (2):
CE 2 65, 535 bytes /560›11s = 117,027 bytes /segundo (2)
y comparando el resultado de la ecuación (2) con un canal satelital GEO de capacidad T1
de 1.536 Mbits/segundo (192,000 bytes /segundo) se determina que una conexión sencilla
de TCP no logra utilizarlo de inanera completa. Por esto TCP ha sido modificaclo para
poder soportar grandes ventanas [Jacobson et ul., 1992], y aconseja usar las opciones de
escalamiento de ventana en cl ambiente satelital. Al utilizar estas adecuaciones se requiere
que la pila de TCP sea sintonizada manualmente tanto en la aplicación del cliente como del
II.2.2.1.4 Estrategias de reconocimiento
Existen dos métodos estándar que pueden ser usados por los receptores de TCP para
generar reconocimientos, uno lo propuso Postel en [Postel, 1981] y el otro lo propuso
Braden en [Braden, 1989], Postel expone un método para generar un ACK por cada paquete
que llegue, mientras que Braden establece la alternativa de que las computadoras usen
reconocimientos retardados. Utilizando la propuesta de Braden, un ACK se genera cada
segundo segmento y la ventana de congestión se incrementa basándose en el número de
ACKs entrantes y ACKs retardados, reduciendo el número de ACKS que envía el receptor.
De ahí que el crecimiento de cwnd ocurre de manera mucho más lenta cuando se utilizan
ACKs retardados, comparado con el caso cuando el receptor reconoce cada paquete
entrante. Sin embargo, si no se desea usar este mecanismo de reconocimiento retardado
simplemente se deshabilita esta opción.
II.2.2.1.5 Reconocimientos selectivos
Los reconocimientos selectivos (SACK) permiten a los receptores de TCP informar
a los transmisores de manera exacta cuáles paquetes han llegado, y de acuerdo a eso
posibilitan al TCP que se recupere más rápidamente de segmentos perdidos, evitando
retransmisiones innecesarias [Allman 1999].
II.3 Consideraciones de TCP por satélite
El Protocolo de Control de Transmisión (TCP) es una parte integral de muchas
aplicaciones populares de Internet como correo electrónico, transferencia de archivos y
navegación en Internet. Históricamente el desempeño de TCP sobre canales satelitales ha
sido subóptimo debido a cuestiones de algoritmo de protocolo y configuración [Hassan y
Jain, 2004]. A continuación se dará revisión a los retos que se enfrenta TCP en ambientes
II.3.1 Consideraciones de órbitas satelitales
Antes de pasar a las cuestiones de diseño y desempeño se dará un repaso de las
características de las redes satelitales. Las principales ventajas de las comunicaciones
satelitales son:
- Cobertura ubicua: Un sistema satelital sencillo puede llegar a cada usuario potencial en
un continente entero sin importar su localidad, eii particular áreas con baja densidad de
suscriptores y/o áreas dificiles de cubrir o imposibles de alcanzar,
- Flexibilidad de ancho de banda: Un sistema satelital puede proveer distintas
configuraciones de ancho de banda de acuerdo a las necesidades del usuario.
Conectividad: Las redes satelitales proveen comunicaciones punto a inultipunto y
multipunto a multipunto facilitadas por la Internet y la capacidad de difusión.
- Recuperación anle desastres: Representan una alternativa a las redes de fibra óptica
dañadas y son una opción para coinuiiicaciones de emergencia.
- Despliegue y servicio: Pueden comenzar a dar servicio a un continente entero al estar
ubicados en el espacio, y se ciienta con la ventaja de que nuevos iisuarios pueden ser
agregados fácil y rápidainente.
- Confiabílidad y .regu/^idud: Los satélites se encuentran entre las tecnologias de
comiinicacióii más confiables y seguras.
- Costa: Es independiente de la distancia, ya que con la amplia área de cobertura que
tiene, cuesta lo mismo recibir el servicio en los extremos que en el centro del área
cubierta.
Ya vistas las ventajas de un sistema satelital, se pasa a dar revisión a como está
compuesto. Un sistema satelital de comunicaciones se compone de un segmento espacial y
de un segmento terrestre. El segmento terrestre de Estaciones de lnterconexión, o Gateway
(EG), Centro de Control de Red (CCR) y Centros de Control de Operación (CCO) [Hu y Li,
2001]. Los CCR y CCO llevan a cabo el manejo de recursos de red, operación del satélite y
control de órbita, inieiitras que las EG actúan como interfaces de red entre varias redes
externas y la red satelital, realizando conversiones de protocolo, direccionainiento y
satélites de órbita no geoestacionaria (SONG), los cuales se dividen en satélites de órbita
media (MEO) y de órbita baja (LEO).
Los SOG se encuentran a 35,786 km sobre el ecuador, logrando que su período de
rotación sea igual al de la Tierra cubriendo un tercio de su superficie. Dentro de las
desventajas que presentan está su elevado costo de lanzamiento. Su gran altitud y su alta
degradación de señal requiere grandes antenas y potencia de transmisión tanto en el satélite
como en las estaciones terrenas, y su retardo de propagación va de los 250 a los 280 ms.
Los satélites MEO tienen una altitud de 10,000 a 15,000 km y su retardo de propagación
tipico está entre los ll0 y 130 ms de ida y vuelta, mientras que los LEO se localizan entre
los 700 y 2,000 km sobre la superficie de la Tierra y su retardo de propagación de una vía
está entre 5 y 30 ms [Hassan y Jaìn, 2004].
La carga útil del satélite es la responsable de las funciones de comunicación. Los
satélites tradicionales, especialmente GEOs, sirven como repetidores entre dos puntos en la
Tierra. Algunos permiten Procesamiento A Bordo (OBP) lo cual incluye demodulación y
remodulación, decodificación y recodificación, conmutación de haz y transponder y
enrutamiento para proveer una utilización del canal más eficiente. También pueden
establecer enlaces intersateli'tales de alta capacidad entre dos satélites con línea de vista.
Las bandas de frecuencia que se utilizan para las comunicaciones satelitales son la C (4-8
GHZ), Ku (10-18 GHZ) y Ka (18-31 GHZ). La mayoria de los satélites de difusión directa
usan banda Ku tanto para difusión como para conexiones de Internet desde el servidor a los
usuarios, con un enlace de retorno terrestre.
El Internet basado en satélite tiene varias opciones de arquitectura debido a los
diversos diseños de los sistemas satelitales en tipos de órbita (GEO, MEO, LEO), tipo de
carga útil (OBP y repetidor) y diseños de enlaces intersatelitales (ISL). Una red satelital
puede servir como parte de una dorsal de Internet, como una red de acceso de alta
velocidad o ambos. Se pueden destacar dos escenarios, uno con satélites repetidores
solamente como el de la Figura Z, y otro que puede implementarse con OBP e ISLs para
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Figura 2. Internet basado en satélite con la arquitectura de repetidor
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Figura 3. Internet basado en satélite con arquitectura de OBP e ISL
La arquitectura de red de la Figura 2 puede proveer acceso a Internet asi como
servicio de troncales de datos. La red satelital se conecta con la infraestructura de red
terrestre por medio de estaciones Gateway en la Tierra. Puede ser el único método de
acceso para algunos usuarios, como el usuario A, o un respaldo para una red de acceso
terrestre existente, como el usuario B. Las desventajas que presenta son baja eficiencia
espectral y altos retardos debidos a la falta de trayectorias de comunicación directas en el
espacio, Por otro lado, el escenario propuesto en la Figura 3 permite construir una red en el
cielo, donde la gran conectividad que presenta puede proveer mayor flexibilidad pero
Dentro de los servicios que pueden prestar los sistemas satelitales se encuentran los
siguientes:
a) Servicios Satelitales Fijos: Son los que se refieren a los servicios de comunicación entre
estaciones terrenas.
b) Servicios Satelitales Móviles: Comprenden todas las comunicaciones entre una estación
terrena móvil y uno o mas satélites.
c) Servicios Satelitales de Difusión: Es el servicio de comunicación en el cual las señales
del satélite son recibidas directamente por el público en general.
II.3.2 TCP sobre satélites GEO
Los satélites GEO tienen una órbita ecuatorial circular (este-oeste) a 36,000 km
encima del ecuador, y rotan a la misma velocidad angular que la Tierra, tomando
aproximadamente 24 horas en realizar una órbita circular [Hassan y Atiquzzatnan, 2000].
Un aspecto importante de ésta velocidad angular es que desde una estación terrena el
satélite parece estar fijo en el cielo. Debido a su gran altitud, cada satélite GEO puede
cubrir un área amplia de Tierra y una cobertura global puede ser lograda con sólo tres
satélites. Una de las ventajas de utilizar éste tipo de satélites para comunicación es la
conexión ininterrumpida entre la estación terrena y el satélite por 24 horas al dia, siete días
a la semana. Otra ventaja es su amplia cobertura de la superficie de la Tierra ya que
estaciones terrenas bajo la cobertura del mismo satélite GEO se pueden comunicar sin la
necesidad de retransmitir hacia otros satélites en el cielo.
La principal desventaja de los GEO es el gran retardo de propagación debido a su
altitud, el cual típicamente esta alrededor de 270 ms, de ahí que el RTT para un
reconocimiento de TCP sea de alrededor de 540 ms sobre un enlace GEO. Otra desventaja
es el gran Producto Retardo Ancho de Banda (PRAB), que se define como la cantidad de
datos que están “en vuelo" en el canal de transmisión (datos que han sido transmitidos pero
todavia no son reconocidos), El retardo usado en éste caso es el RTT (que para satélites
GEO es grande) y el ancho de banda es la capacidad del enlace cuello de botella en la
trayectoria. El tener un PRAB alto afecta directamente el sistema de control de flujo de
65,536 bytes, lo cual directamente indica el máximo tamaño de ventana de transmisión, la
utilización del enlace resulta en un desempeño pobre de TCP. Para compensar esto se
puede aumentar el tamaño de ventana incrementando la cantidad de segmentos transmitidos
dentro de un RTT sencillo, pero se incrementa la posibilidad de múltiples segmentos
perdidos y de igual manera se afecta el desempeño de TCP. En las redes terrestres la
mayoria de los segmentos perdidos es causada por congestión de red, de ahi el sobreflujo en
el buf`f`er. En un ambiente satelital esto cambia ya que el BER es alto causando pérdida de
segmentos TCP, lo que trae en consecuencia que el TCP esté volviéndose continuamente a
la fase de inicio lento.
II.3.3 TCP sobre satélites LEO
Las órbitas LEO suelen ser órbitas inclinadas con respecto al ecuador o polares
(norte~sur) y se encuentran en el intervalo de altitud de 700 a 2000 km. A pesar de que por
la altitud logran reducir el retardo de propagación, esto mismo ocasiona que se incremente
la variación en el retardo o jitter, por las siguientes razones [Hassan y Atiquzzaman, 2000] 1
- Traspasos: Debido a su baja altitud, para lograr una cobertura global se requieren
múltiples satélites por órbita para que cuando un satélite se aleje de la linea de vista en
el horizonte, otro satélite del mismo plano aparezca en el horizonte opuesto. Esta
continuidad requiere un traspaso de la conexión del satélite que va desapareciendo hacia
el que va ascendiendo, y este movimiento es lo que puede incrementar la variación del
retardo.
- Reenrummicnm: Los satélites LEO no sólo se mueven con respecto a las estaciones
terrenas, sino que también cambian ubicación de manera relativa a otros satélites en
otras órbitas. De ahi que cuando algunos satélites de múltiples órbitas tornan parte en
una conexión, puede ser necesario realizar reenrutamiento dinámico de los paquetes
para mantener optimizada la ruta. El reenrutamiento resulta en profundos cambios a los
retardos.
- Reordenumienla de puqrlelesi El reenrutamiento dinámico puede causar que los
requieren ser almacenados en buffers en el extremo de la red hasta que el ordenamiento
se complete, conduciendo a una variación en el retardo.
II.3.4 Introducción a enrutamiento de TCP a bordo
Se han diseñado algunas extensiones a TCP para resolver algunas de las
limitaciones del TCP estándar sobre enlaces satelitales. Una vertiente que han tomado para
tratar de aliviar los efectos del gran retardo extremo a extremo es dividir la conexión TCP
en dos o más panes en las estaciones gateway que conectan las redes satelital y terrestre.
Existen tres enfoques para dividir las conexiones TCP sobre enlaces satelitales [Hu y Li,
2001]:
- Engaño a TCP (Spoofing): Las conexiones divididas en segmento terrestre y segmento
inalámbrico son aisladas por las estaciones gateway, las cuales prematuramente envian
reconocimientos de engaño al recibir paquetes. Las estaciones gateway en los puntos de
división son también responsables de la retransmisión de cualquier dato perdido,
- División de TCP (Tunneling): En lugar de engañar a TCP, la conexión se divide
completamente. Un protocolo de transporte propietario puede ser usado en una red
satelital sin interferir con el TCP estándar en la red terrestre. Es más flexible, aunque
algún tipo de convertidor de protocolo debe ser implementado en los puntos de división.
~ Almacenamiento de Web (Web caching): La conexión TCP es dividida por un caché de
Web en la red satelital. Los usuarios en la red satelital conectada a este caché de Web
no necesitan establecer conexiones de TCP hacia los servidores en las afueras si los
contenidos requeridos están disponibles en el caché. El almacenamiento de web reduce
de manera efectiva el retardo de conexión y consumo de ancho de banda.
Il.3.5 Diseño de constelaciones satelitales
En éste punto se describen los parámetros y fórmulas que se requieren para realizar
el diseño de una constelación satelital. A diferencia de un sistema satelital geoestacionario
donde tres satélites son suficientes para una cobertura global [Jamalipoui-, 1998], un sistema
partir de las Figura 4. y Figura 5 se determinan los elementos geométricos que intervienen y
se ofrece su descripción:
del
-
d _, %
4¢1 /
› N/'
Damm
4. iv
nm- «_
Figura 4. Relación geométrica entre satélite y usuario
“És
como es la unn
(9
Figura 5. Consideraciones geométricas en un sistema satelital
A continuación se da una descripción de los parámetros que intervienen en el diseño
as constelaciones satelitales:
Angulo de elevación E,,,f,, sobre el cual un usuario puede ver el satélite por encima del
horizonte.
Angulo de nadir V el cual se toma desde el satélite hacia el centro de la Tierra y hacia la
estación terrena.
Radio de la Tierra rg.
Altura orbital hx que representa la distancia desde la superficie de la Tierra al satélite.
Radio satelital 1', que es la distancia del centro de la Tierra al satélite y se obtiene
sumando el radio de la Tierra ›-E y la altura satelital h,.
El ángulo formado del centro de la Tierra a la estación terrena y del satélite a la estación
terrena es conocido como ángulo beta /3 y se obtiene sumando 90° al ángulo de
elevación.
Distancia d entre la estación terrena y el satélite.
Algunas precisiones que se deben hacer respecto de los parámetros mencionados
anteriormentes son las siguientes:
UH
El ángulo de elevación de una estación terrena debe ser mayor o igual al ángulo de
elevación minimo para que pueda haber una correcta comunicación con el satelite, Si el
ángulo de elevación real es menor al ángulo de elevación minimo, la estación terrena no
podrá comunicarse al satélite.
La altura orbital se define a partir del tipo de constelación que se está diseñando (LEO,
MEO, GEO), y se debe tener cuidado en su correcta selección ya que en función de ella
esta el periodo de rotación del satélite y por ende su tiempo de visibilidad.
La distancia d no es un valor fijo, sino que va cambiando conforme el satélite se
desplaza.
Con la Figura 4 se puede obtener la siguiente ecuación por medio de la ley de senos de
triángulo:
d -_ «_
† = _'«\_ = l (3)
sena sen /1' senv
Tomando los coeficientes del centro y de la derecha obtiene el ángulo de nadir:
sen fl senv
¡.
v = sen"[-E sen/¡il (5)
rs
Se sabe que los ángulos internos de un triangulo suman 180° con lo cual se elabora
la siguiente igualdad:
a+/¡+v=180" (6)
A partir de la expresión anterior se encuentra el valor del ángulo de cobertura
central tz con la ecuación número (7):
a=18(}"-B-v (7)
En caso de que se desee comprobar el valor obtenido, existe otra manera de calcular
(1 en [Jamalipour, 1998]:
_, rb.
a = cos Kgcos €,,,¡,,J - emm (8)
Ahora se puede usar el valor de ot para calcular el número necesario de satélites en
una constelación. Para cubrir la superficie entera de la Tierra las huellas de los satélites
deben traslaparse. Sin asumir ningún tipo especifico de constelación y para encontrar el
mínimo número de satélites para cobertura global, se considera la huella más grande
posible de un satélite como el más grande ltexágono inscrito en la huella, tal como se ve en
zo \_
MM
/
N
Í
Figura 6. Relaciones geométricas de los lrexagonos inscritos en las huellas de cobenura
Cada hexágono consiste de seis triángulos isósceles, cada uno con un ángulo de 60°
y dos ángulos idénticos W en la periferia de la huella. Considerando una forma esférica de
la Tierra, la relación para el ángulo V-' está dada por:
l
«a
m..t,=†
2
= Â
(9)
E tz 0 cos zz cos a
Se calcula el exceso esférico de los triángulos 0 con la ecuación (10):
a=2 W-2?”
(io)
Con la información obtenida ya es posible calcular el area del ltexagono, que
representa el área de cobertura efectiva, con la ecuación (l 1):
A,M=6›~§ a
(11)
El análisis presentado aqui puede ser suficiente para un sistema satelital GEO en el
cual los satélites se encuentran en el plano del ecuador y perfectamente espaciados, En
cambio para un sistema LEO, aparte del número minimo de satélites, también se debe
determinar el número minimo de órbitas de esos satélites. Para eso, se considera la
cobertura de un satélite en el ecuador. Entonces, en la condición de al menos dos satélites
en cada órbita, cada órbita podria cubrir 3r5a del ecuador, De ahi, el minimo número de
2
(12)
donde /ir 7eS el entero más pequeño igual o mayor a x.
Para calcular el número de satélites por plano orbital para una constelación LEO se
usa la expresión (13):
sm/o;~b=i-`/23"_aj
(13)
Y por último para calcular el número total de satélites en la constelación se usa la
expresión (14):
Num.-1;-0to smézfier = (% )(s2)
(14)
II.4 Parámetros de QoS para TCP por satélite
El rápido crecimiento y disponibilidad de la Internet es la fuerza que conduce la
convergencia de las aplicaciones de datos, voz y video. Sin embargo, algunas aplicaciones
demandan más ancho de banda y tienen requerimientos de tiempo de entrega exigentes, por
lo cual se requiere el desarrollo de una infraestructura de red que vaya más alla del simple
mejor esfuerzo con el que trabaja el Protocolo de Internet. Las comunicaciones satelitales
juegan un papel importante en el acceso a Intenet a través de redes hibrìdas
satelitales/terrestres, Para proveer una alta tasa de acceso a Internet y conectividad global,
la provisión de Calidad de Servicio (QoS) en las futuras redes satelitales es crucial.
En éste apartado se definirá el concepto de Calidad de Servicio y los parámetros con
los que se evaluará el desempeño del Protocolo de Control de Transmisión (TCP) pero
antes se dará un breve repaso a dos mecanismos que se utilizan para mejorar la QoS de la
Voz sobre IP que aunque no se emplean en la realización de este trabajo se considera
pertinente presentarles.
Para mejorar la QOS de VoIP se han desarrollado dos mecanismos conocidos como
Modelo de Servicios Integrados (Intserv) y Marco de Servicios Dif`erenciados (Diffserv)
Intserv debe manejar recursos como el ancho de banda y buffer para cada aplicación
de tiempo real, y lo que hace es que en cada enrutador reserva recursos utilizando el
protocolo de reservación de recursos (RSVP) para suministrar una QoS especifica para una
cadena de paquetes o flujos.
La arquitectura Diffserv puede ofrecer a cada usuario un rango de servicios
diferenciados en base al desempeño. El tráfico que llegue a la red es clasificado y
condicionado en los limites de la red y el nivel de desempeño que requieran los usuarios se
realiza en base a un análisis de paquete por paquete.
Calidad de Servicio es la habilidad de un elemento de red (una aplicación,
computador o ruteador) de tener algún nivel de seguridad de que sus requerimientos de
tráfico y servicio pueden ser satisfechos [Kota et ul,, 2004],
De acuerdo a la Recomendación E.800 de la ITU-T, se define a la QoS como el
efecto colectivo del desempeño de servicio el cual determina el grado de satisfacción de un
usuario del servicio. El término QoS es utilizado de muchas maneras, y varia desde la
percepción del usuario que tiene de un servicio, hasta un conjunto de parámetros necesarios
para lograr un nivel de calidad de servicio. A continuación se definen los parámetros de
QoS que se utilizarán en éste trabajo de tesis.
Il.4.1 Latencia
Es el tiempo que le toma a un paquete ser transportado del transmisor al receptor.
Para el protocolo TCP, los niveles altos de retardo se transforman en cantidades de datos
que están en transito en la red, lo cual afecta los contadores y temporízadores del protocolo.
TCP es un protocolo que se toma el tiempo a si mismo, y la tasa de transmisión se ajusta
dinámicamente de acuerdo al flujo de información que viene desde el receptor por medio de
los reconocimientos. Grandes retardos pueden estar disparando retransmisiones continuas
que no permitirán al TCP salir de la fase de inicio lento. El máximo nivel de retardo con el
que se va a trabajar va a ser de 400 ms [Goyal el al., 1999] que es el máximo permitido
II.4.2 Variación cn cl retardo (Jitter)
Es la variación que existe en el retardo de transporte extremo a extremo de los
paquetes. Si se tienen altos niveles de jitter se provoca que el protocolo TCP haga
estimaciones muy conservadoras del Tiempo de Viaje Completo (RTT), lo que causa que el
protocolo opere de manera ineficiente cuando se vale de las expiraciones de temporizador
para reestablecer el flujo de datos. El nivel máximo de jitter con el que se estará trabajando
es de 20 ms [Gonzá1ez, 2000].
II.4.3 Tasa de Error de Bit (BER)
Se define como el número de errores de bit que ocurren para un número de bits
transmitidos. La máxima tasa permitida en BER es de l0`5 [`Nguyen, 2001].
II.4.4 Tasa de Pérdida de Paquetes (PLR)
Es la relación que existe entre el número total de paquetes recibidos con respecto al
número total de paquetes enviados. Las razones por las que se puede presentar una alta tasa
de paquetes perdidos puede ser porque los sistemas de conmutación estén saturados de
tráfico y se estén perdiendo paquetes, o se estén entregando fuera de orden, o porque los
puntos de interconexión de las redes no tengan una configuración adecuada. El nivel limite
a manejar es de 3% a 5 %. [Beltrán, 1999].
II.4.S Caudal Eficaz
Es el porcentaje del tráfico ofrecido que fue recibido de manera exitosa en el
extremo receptor. Este porcentaje puede servir para determinar la cantidad de información
que se está transmitiendo por unidad de tiempo.
II.5 Conclusiones
En este capitulo se analizaron las características que presentan los servicios de
acceso a Internet por satélite, se hizo un breve análisis del protocolo TCP original y se
vieron las modificaciones que se han propuesto para su uso en redes satelitales. Se dio un
vieron los elementos que intervienen en el diseño de constelaciones satelitales. Por último
se analizaron los parámetros de QoS con los cuales se va a estar evaluando el desempeño de
III. ANALISIS DEL PROTOCOLO TCP
En el capitulo anterior se abordaron los conceptos relacionados con los fundamentos
del protocolo TCP a nivel de su RFC original, asi como de las mejoras propuestas para su
utilización en ambientes satelitales. Se expusieron los retos a los que se enfrenta cuando se
usa en redes satelitales LEO y GEO, se habló del diseño de constelaciones satelitales y se
analizaron los conceptos de Calidad de Servicio (QoS) y las métricas que se habrán de usar
para evaluar su desempeño, En este capitulo se analizará el protocolo TCP y los diversos
mecanismos de funcionamiento interno que lo componen. Se evaluarán varias soluciones
propuestas para el uso del TCP por satélite y las variantes que se han propuesto para su
control de congestión,
III.1 TCP puro (original)
El Protocolo TCP es un protocolo muy complejo, ya que para su funcionamiento
requiere que sus mecanismos internos interactúen con elementos y ambiente de
comunicación que lo rodean constantemente. Algunas cuestiones relacionadas con su
funcionamiento interno fueron introducidas en el punto II.2.1, y las restantes serán
analizadas más adelante. Dentro de los servicios que ofrece TCP a las aplicaciones y que
fueron explicados anteriormente se encuentran los siguientes: Servicio Orientado a
Conexión, Servicio de Entrega en Flujo, Confìable y de Semántica Extremo a Extremo
[Hassan y Jain, 2004 y Postel, 1931].
Formato de Encabezado de TCP. Cada segmento de TCP está dividido en dos
partes: una de longitud estándar de 20 bytes que es el encabezado y otra que es la carga útil
que contiene los datos de la aplicación y es de longitud variable. La información que
